摩托車(chē)用鉛酸蓄電池排氣性的改造

劉承，鄧?yán)^東，侯景翔

（1. 天津湯淺蓄電池有限公司，天津 300385；2. 沈陽(yáng)蓄電池研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110178）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家一直在積極促進(jìn)鉛蓄電池行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，規(guī)范行業(yè)投資行為，防止低水平重復(fù)建設(shè)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，提高資源綜合利用效率。無(wú)論是對(duì)蓄電池的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，還是對(duì)蓄電池的回收環(huán)節(jié)，乃至其本身，都有相關(guān)政策出臺(tái)。2012年 7 月 1 日起實(shí)施的《鉛蓄電池行業(yè)準(zhǔn)入條件》就指出，開(kāi)口式普通鉛蓄電池（指采用酸霧未經(jīng)過(guò)濾的直排式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部與外部壓力一致的鉛蓄電池）是不符合準(zhǔn)入條件的建設(shè)項(xiàng)目，且現(xiàn)有開(kāi)口式普通鉛蓄電池生產(chǎn)能力應(yīng)予以淘汰?！躲U蓄電池行業(yè)規(guī)范條件（2015 年本）》中再次指出，開(kāi)口式普通鉛蓄電池屬于不符合規(guī)范條件的建設(shè)項(xiàng)目。

當(dāng)時(shí)，摩托車(chē)用鉛酸蓄電池在市場(chǎng)上的產(chǎn)品種類(lèi)主要有 2 種，即富液式電池和閥控式（VRLA）電池。其中，富液式電池由于普遍采用鉛銻合金板柵，沒(méi)有濾氣片和安全閥，大量析氣且無(wú)法過(guò)濾酸霧，屬于直排式結(jié)構(gòu)，符合開(kāi)口式普通鉛蓄電池的定義。因此，為了響應(yīng)國(guó)家保護(hù)生態(tài)環(huán)境的號(hào)召，需要對(duì)富液式摩托車(chē)用電池進(jìn)行相應(yīng)的改造。

1 富液式電池的改造

1.1 增加濾氣片

開(kāi)口式普通鉛蓄電池的定義首先指出的就是“酸霧未經(jīng)過(guò)濾”，因此對(duì)富液式摩托車(chē)用電池改造的第一步就是增加濾氣片。濾氣片可以被安裝在電池排氣嘴內(nèi)側(cè)的上方，也可以被放置在排氣嘴外，成為獨(dú)立的排氣裝置，通過(guò)插拔與電池連接，便于更換（見(jiàn)圖 1）。想要濾氣片真正起到過(guò)濾酸霧的作用，還必須要選擇好濾氣片的孔隙。濾氣片的通氣性和過(guò)濾效果與其孔隙大小有直接關(guān)系：孔隙越大，通氣性越好，氣體通過(guò)濾氣片時(shí)，濾氣片兩側(cè)的壓力差也越小，但過(guò)濾效果會(huì)較弱；而孔隙越小，通氣性就越差，氣體通過(guò)濾氣片時(shí)，濾氣片兩側(cè)的壓力差也越大，但過(guò)濾效果較強(qiáng)。不過(guò)壓力差過(guò)大，也可能會(huì)直接將酸霧擠壓通過(guò)濾氣片。

圖1 濾氣片

由于測(cè)量濾氣片的孔隙對(duì)于蓄電池生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)并不容易，而之前提到，濾氣片的孔隙與氣體通過(guò)濾氣片時(shí)，濾氣片兩側(cè)的壓力差有關(guān)，因此可以通過(guò)測(cè)量濾氣片兩側(cè)的壓力差來(lái)判斷濾氣片的孔隙是否合適。具體的方法是：將濾氣片固定在一個(gè)容器上（見(jiàn)圖 2），規(guī)定容器的容積和濾氣片的通氣直徑，然后以固定的流量向容器內(nèi)通入空氣，測(cè)量此時(shí)容器內(nèi)壓力與大氣壓的壓差，通過(guò)這個(gè)壓差就可以判斷濾氣片的孔隙大小和過(guò)濾效果。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)濾氣片通氣直徑為 3 mm，通入容器內(nèi)的流量為 0.5 L/min 時(shí)，測(cè)得的壓差在 100～230 Pa 之間，濾氣片的過(guò)濾效果最好。

圖2 濾氣片兩側(cè)壓差測(cè)量裝置示意圖

若將實(shí)驗(yàn)裝置中的容器改為電池，就可以直接測(cè)得濾氣片安裝在電池上的濾氣效果，得到更貼近實(shí)際情況的結(jié)果。這也恰好可以證明，由于內(nèi)部和外部壓力不一致，電池不符合開(kāi)口式普通鉛蓄電池定義中的第 2 個(gè)要素“內(nèi)部與外部壓力一致”。

此外，當(dāng)不同容量的電池使用相同孔隙的濾氣片時(shí)，由于容量不同，電池的排氣量也不相同。因此，在電池設(shè)計(jì)上需要根據(jù)電池容量設(shè)計(jì)不同的濾氣片排氣面積，以適應(yīng)電池的實(shí)際情況。

1.2 回流結(jié)構(gòu)

為了減小濾氣片的負(fù)擔(dān)，還需盡可能減少酸霧和被氣體帶出的活性物質(zhì)殘?jiān)佑|到濾氣片，防止濾氣片阻塞。目前，普遍在摩托車(chē)蓄電池的電池蓋排氣通道中增加了隔斷，目的是增加氣體排出的行走距離，來(lái)阻擋酸霧和固體殘?jiān)粴怏w帶出。一種比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)就是在電池排氣通道之間增加隔斷，但隔斷沒(méi)有高到與電池蓋密封片接觸，只能阻擋通道底部的氣體，仍能使氣體在上部自由通過(guò)（見(jiàn)圖 3a）。雖然這種隔斷結(jié)構(gòu)可以阻擋很大一部分酸霧，但是酸霧仍就可以在隔斷上方直接通過(guò)，因此有的結(jié)構(gòu)是在密封片下側(cè)也增加隔斷，與排氣通道上隔斷交錯(cuò)分布（見(jiàn)圖 3b）[1]。也有結(jié)構(gòu)是將隔斷加高，與密封片相連，但在隔斷中央或兩側(cè)留出縫隙，形成迷宮式結(jié)構(gòu)，這樣酸霧需要繞過(guò)隔斷，才能排出（見(jiàn)圖 3c）。為了更好地使被隔斷阻擋的酸霧，特別是重新凝結(jié)成液體的酸滴，重新回到電池內(nèi)，也可以將排氣通道的底面由水平改為傾斜式（見(jiàn)圖 4）[2]。隔斷處的底面最高，每單格排氣位置的底面高度最低，這樣可以使酸滴依靠重力自動(dòng)回流到電池中，避免在排氣通道內(nèi)堆積。

1.3 抑制酸霧帶出的其他方法

除了增加回流結(jié)構(gòu)來(lái)抑制酸霧帶出外，還可以采?。阂?、降低電解液的液面高度，即增加了酸霧流向排氣嘴的距離。這樣就增加了酸霧排出的難度，也減少了硫酸的總量，也可一定程度上減少硫酸被氣體帶出的可能，同時(shí)還減少了電解液的使用量，降低了成本。只要保證電解液液面高度高于極板，就不會(huì)影響電池的放電性能和使用壽命。二、縮小電池內(nèi)每格上方排氣筒的面積（見(jiàn)圖 5），這樣可以增加酸霧的溢出難度。由于電池在充電過(guò)程中產(chǎn)生的氣體，以及氣體中含有的酸霧量與電池的10 小時(shí)率容量有關(guān)，隨著 10 小時(shí)率容量的增大，氣體的量也有增多的傾向。一般來(lái)說(shuō)，在安裝有合適的濾氣片，其他實(shí)驗(yàn)條件都相同的情況下，當(dāng)排氣筒面積與電池容量的比值在 6 mm2/Ah 以下時(shí)，電池的排氣嘴不會(huì)有酸霧溢出。

圖3 隔斷

圖4 傾斜式底面

圖5 排氣筒

檢查排氣嘴是否有酸霧溢出的方法為：對(duì) 10小時(shí)率容量合格的滿充電蓄電池，旋緊液口栓，以I10過(guò)充電；待電解液強(qiáng)烈析出氣體時(shí)，用經(jīng)過(guò)蓄電池用水潤(rùn)濕的 pH 試紙懸于距液口栓的排氣口5 mm 處，經(jīng)過(guò) 2 h，以試紙不顯酸性為合格。

1.4 降低板柵中的銻含量

酸霧實(shí)際上都是被電池過(guò)充電時(shí)產(chǎn)生的氣體帶出的，所以如果能夠降低電池過(guò)充電時(shí)產(chǎn)生的氣體量，就能從根本上解決酸霧排放的問(wèn)題。對(duì)于摩托車(chē)用鉛酸蓄電池中的富液式電池，板柵合金基本上都是鉛銻合金。充電時(shí)，正極板柵中的銻溶解在電解液中，進(jìn)而轉(zhuǎn)移沉積在負(fù)極活性物質(zhì)上，顯著降低了氫在負(fù)極析出的超電勢(shì)；一部分銻吸附在正極活性物質(zhì)上，也降低了氧在正極析出的超電勢(shì)。因此，銻的存在使水的分解電壓下降，充電時(shí)水易于分解[3]。而且銻含量越高越容易使電池在充電過(guò)程中產(chǎn)生更多的氣體。富液式電池板柵合金中銻含量一般都比較高，ω(Sb) 大都在 3.5 % 以上。因此，降低板柵中的銻含量，可有效減少電池在充電時(shí)酸霧的排出量。由于ω(Sb) 在 2.0 %～2.5 % 范圍內(nèi)時(shí)，合金的凝固溫度最寬，這意味著鑄造性最差[4]。因此，一般來(lái)說(shuō)，將富液式摩托車(chē)電池板柵中ω(Sb)控制在 2.5 %～2.9 %，再結(jié)合電池蓋內(nèi)的隔斷、濾氣片等措施[5]，可以將酸霧完全攔截在電池內(nèi)。

2 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在富液式摩托車(chē)用鉛酸蓄電池的排氣通道上增加一個(gè)孔隙適合的濾氣片和不同形式的回流結(jié)構(gòu)，降低電解液液面高度，縮小排氣筒面積，降低板柵中的銻含量等方法，可以使電池在使用過(guò)程中有效地減少酸霧的生成，并在電池內(nèi)部進(jìn)行有效的回流和過(guò)濾。采用以上方法后，電池經(jīng)測(cè)試沒(méi)有酸霧從電池內(nèi)排出，使電池不再屬于《鉛蓄電池行業(yè)規(guī)范條件（2015 年本）》中的“開(kāi)口式電池”。不過(guò)在摩托車(chē)充電系統(tǒng)異常或一些其它原因，導(dǎo)致電池嚴(yán)重過(guò)充電時(shí)，如何使濾酸片不被堵塞，仍能正常排氣，還需進(jìn)一步的研究。

[1]株式會(huì)社杰士湯淺國(guó)際.鉛蓄電池以及搭載有該鉛蓄電池的摩托車(chē):2014104787815[P]. 2016–03–23.

[2]浙江古越電源有限公司. 一種有濾酸結(jié)構(gòu)的蓄電池: 2013206127736 [P]. 2014–04–02.

[3]朱松然. 蓄電池手冊(cè)[M]. 天津: 天津大學(xué)出版社,1998.

[4]朱松然. 鉛蓄電池技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.

[5]楊文兵. 新型摩托車(chē)起動(dòng)用免維護(hù)鉛酸蓄電池的研究[J]. 蓄電池, 2001(1): 12-14.